有限基本解法

更新时间:2022-08-25 11:41

有限基本解法 (method of finite fundamental solutions)解线性势流动的一种数值计算方法,它用一些形式比较简单、而在流动区域内又满足方程的解析函数(如位势流的源、汇、偶极子以及涡旋等)作为基本解,再将它们线性叠加,以满足任意外形物体的边界条件,从而模拟出各种具体流动的速度场。

概述

有限基本解法 (method of finite fundamental solutions)解线性势流动的一种数值计算方法,它用一些形式比较简单、而在流动区域内又满足方程的解析函数(如位势流的源、汇、偶极子以及涡旋等)作为基本解,再将它们线性叠加,以满足任意外形物体的边界条件,从而模拟出各种具体流动的速度场。

以位势流动为例,格林定理和斯托克斯定理指出:扰动速度(P为流动场中的任一点)可用流场边界上源、汇或偶极子的分布来表示,而扰动速度场则线性依赖于流场边界的源、汇或偶极子的分布密度。因此扰动速度可以用物体表面的源、汇分布密度求得。在一般情况下,可将物体表面分成许多连接的单元,如果单元尺度比流场特征尺度小,可以假定单元上的源、汇或偶极子的密度分布是均匀的。这时空间任意一点P上的扰动速度可写成:

式中为第j个单元上分布密度为1的源、汇或偶极子在P点所诱导的速度;为该单元的分布密度。如果物面上的单元总数为N,则上式中只有N个待定系数,这些系数可以利用物面上N个点处的边界条件来确定,这N个条件可写成:

式中

是物理面上点处单位法向矢量,它指向流场内部;qi为控制点。从上述方程组中解出后,即可算得扰动速度场。

用源、汇或偶极子来求解十分方便,但这类基本解都有奇点,这些奇点可以是孤立的,也可以是分布在某些曲面或曲线上的。在这些地方必须作一些特殊处理。

计算的准确性

在实际计算时,单元的分法,单元上的密度分布形式和控制点的位置,都会直接影响到计算的准确性。如果控制点选得不当,会得到不准确甚至是荒谬的结果。目前还没有确定控制点正确位置的严格理论。计算表明,对等密度分布的单元来说,把控制点选在单元形心或单元自身诱导速度量小点处,可得到比较满意的结果。在单元上,如采用多参数的密度分布形式,则用较少的单元块数也可以得到同样精度的结果。

应用

有限基本解法多用于位势绕流问题,在工程上已能成功地计算或校核复杂形状物体上的气动载荷,甚至可直接用来设计飞行器等的外形。这一方法近来已进一步用于研究可压缩情况下的有限扰动问题。此外,在水工结构的载荷和油田开采等计算中也有应用。

参考书目

J. L. Hess,Computer Method,Applied Mechanics and Engineering,p. 145,March 1975.

免责声明
隐私政策
用户协议
目录 22
0{{catalogNumber[index]}}. {{item.title}}
{{item.title}}